ÉNERGIES BAS CARBONE

Présentation du mix électrique et des choix à réaliser,
au-delà de l’éternel débat « nucléaire contre renouvelables »
et face à la communication des lobbyistes des différents secteurs

DÉFINITION

Les énergies carbonées ou fossiles sont le pétrole, du gaz fossile (dit gaz naturel par abus de langage), et du charbon.
« Un combustible fossile est un combustible riche en carbone issu de la transformation lente de matière organique enfouie dans le sol depuis plusieurs millions d’années » (Wikipédia).
Elles émettent du CO₂ lors de leur combustion.
Elles ont été largement exploitées parce que leur coût est relativement bas.

« Energies bas carbone » est une notion techniquement plus juste que « énergies décarbonées » car aucune source d’énergie n’est totalement décarbonée. Cependant, la notion d’ « énergies décarbonées » est plus couramment employée car elle est plus parlante.
Les dispositifs de production d’électricité à partir de l’énergie nucléaire ou d’énergies renouvelables n’émettent pas de CO₂ lors de leur fonctionnement, mais ont généré des émissions de CO₂ lors de leur construction.
Ces dernières sont relativement faibles au regard des quantités d’énergies que cela permet de produire une fois que ces installations ont été construites.
Ainsi, le nucléaire, l’éolien et l’hydraulique émettent un ordre de grandeur de 10 grammes de CO2 par kWh produits, le photovoltaïque fabriqué en Chine 40 grammes, contre 450 pour une centrale à gaz, 800 pour une centrale au fioul et 900 pour une centrale à charbon.

L’unité de mesure énergétique est le joule (J), comme le mètre est l’unité de mesure d’une distance.
1 joule est la quantité d’énergie correspondant à une puissance de 1 watt appliquée durant 1 seconde.
Cette unité de mesure étant très petite, les quantités d’énergie sont généralement exprimées
– en kWh -kilo watt heure- à l’échelle d’un individu
Le kilowattheure (kWh) est l’unité la plus fréquemment employée (sur les factures d’électricité pour les particuliers etc)
– MWh -méga watt heure- à l’échelle d’une collectivité ou
– TWh -tétra watt heure- à l’échelle d’un pays.
1 kWh correspond à une puissance de 1.000 W appliquée pendant une heure, soit 1.000 (W) x 3.600 (secondes) = 3.600.000 J. 1MWh = 3.600.000.000 J. 1 TWh = 3.600.000.000.000 J.

1. VISION GÉNÉRALE du MIX ÉLECTRIQUE FRANÇAIS

Remarque de vocabulaire: il y a quelques années, la notion de « bouquet énergétique » était utilisée. Désormais, c’est celle de « mix énergétique » qui est employée.

Celle-ci est visible sur le site de RTE ainsi que sur le site de l’organisme allemand Fraunhofer.

Chiffres de 2023 (d’après Wikipédia).
En production de base (constante ou faiblement modulable)
Le nucléaire assure, en France, l’essentiel de la production d’électricité (environ 64%).
L’hydraulique au fil de l’eau (le long des cours d’eau) représente 5%. Cette énergie n’est pas pilotable. Elle est cependant moins variable que les énergies éoliennes et photovoltaïques. La production varie d’un ordre de grandeur de 1 à 2 entre les moins de plus forte production (avril, mai, juin), et ceux de plus faible production (août, septembre).
Les centrales thermiques à biomasse et déchets sont utilisées, en France, en mode base, sans modulation, et représentent environ 2% de la production électrique.

Productions variables et moyens de compensation
L’éolien représente 10% de la production électrique et le photovoltaïque 4%.
Les énergies de compensation de ces énergies variables sont l’hydraulique de barrage qui représente environ 6% de la production, et les centrales thermiques au gaz naturel, qui représentent 6%, ainsi que celles au gaz et au charbon (2%)

La France échange en permanence avec les pays voisins par les interconnexions afin d’exploiter notamment le foisonnement des énergies variables à l’échelle européenne, en particulier de l’éolien.
Une partie de cette énergie variable est redistribuée à l’échelle européenne, ce qui en diminue (très légèrement) la variabilité.
Cela permet également d’optimiser l’utilisation des centrales thermiques au gaz et au charbon, en « back-up » de ces énergies variables, et en fonction de la demande. La France possède peu de centrales thermiques à combustible fossile, mais sollicite celles de ses voisins en période de pointe hivernale.

2. Le NUCLÉAIRE

Il est question ici du nucléaire civil, dit aussi « électronucléaire » (énergie nucléaire utilisée pour la production d’électricité). Une partie des déchets générés par les réacteurs nucléaires, notamment le plutonium, peut servir à la fabrication de bombes atomiques.

■ TYPES de RÉACTEURS, PRINCIPES PHYSIQUES et RESSOURCES

● Les réacteurs actuels, à eau pressurisée (REP)

Ils utilisent la fission (ou éclatement) de noyaux d’uranium 235 (atome comportant 235 nucléons: 92 protons et 143 neutrons), dans une réaction en chaîne naturelle entretenue par des neutrons lents (2 km/s).
Le combustible utilisé est composé d’ « uranium enrichi » [en uranium 235]. Alors que l’uranium naturel est composé de 0,7% d’uranium 235 et de 99,3% d’uranium 238, le combustible des réacteurs nucléaires est composé de 5% d’uranium 235 et de 95% d’uranium 238.
La chaleur dégagée lors de cette réaction nucléaire est utilisée pour mettre de l’eau sous pression, dont la force mécanique fait tourner un alternateur, comme dans une centrale thermique à combustible fossile (gaz, fioul ou charbon).

Au rythme actuel de consommation de l’uranium 235, qui fournit environ 10% de l’électricité mondiale les réserves sont estimées à environ 1 siècle.
Cette solution de types réacteurs nucléaires largement utilisés par la France n’est donc pas généralisable à l’ensemble des pays. Si le monde entier fabriquait son électricité à partir de ce type de réacteur, les ressources seraient épuisées en 10 ans, ou en 3 ans si cela devait remplacer en plus les énergies fossiles.

Contrairement à ce qui a été raconté pendant longtemps, le nucléaire, dans sa forme actuelle, ne permet aucunement à la France d’être indépendante au niveau énergétique puisque l’intégralité de l’uranium est importée.

● Les Réacteurs à Neutrons Rapides (RNR)

Ils utilisent L’uranium 238 (atome comportant 92 protons et 146 neutrons), qui est plus difficilement fissile. Pour cela, l’U238 doit être bombardé par un flux de neutrons rapides (13.000 km/s).
Le fluide caloporteur utilisé n’est pas l’eau comme dans les REP, mais le sodium liquide.
Les RNR sont dits aussi « surgénérateurs » par abus de langage. Un réacteur à neutrons rapide fonctionne en surgénération lorsque réglage de la réaction en chaîne fait qu’il génère des déchets recyclables en nouveau combustible. Le cas échéant, il fonctionne en sous-génération, ce qui peut lui permettre également d’incinérer certains déchets radioactifs issus du parc de REP.

Des prototypes de ce type de réacteur ont été construits en France, au Japon, en Russie et en Chine, sans que le stade de la surgénération stable dans le temps n’ait pu être atteint. Les Etats-Unis et l’Allemagne ont chacun construit un RNR mais ne l’ont pas mis en service, préférant renoncer à cela devant les coûts d’exploitation et les risques potentiels.
Par conséquent, aucune industrialisation de cela n’a jamais été réalisée.
Face à la limitation des ressources en uranium 235, la filière française avait envisagé cela dès les années 70 avec la construction des prototypes Phénix puis Superphénix (lequel a été abandonné en 1997), puis le projet Astrid (abandonné en 2018).
La Russie et la Chine poursuivent leurs expérimentations dans ce domaine. Un réacteur de ce type, le BN 800, fonctionne actuellement en Russie de manière stable, sans uranium 235, en sous-génération.

Etant donné les importants stocks d’uranium 238 que possède la France, cela pourrait lui assurer une autonomie énergétique pour un ordre de grandeur d’un millier d’années.
Au niveau mondial, cela permettrait de fournir le monde en énergie durant un ordre de grandeur de deux siècles.

● Les réacteurs à fusion nucléaire, dits aussi tokamaks

Ils utilisent la fusion de deux atomes d’hydrogène qui se transforment en un atome d’hélium, comme cela est le cas dans le Soleil.
Cette réaction atomique libère de la chaleur.
Les tokamaks n’en sont qu’au début du stade expérimental et leur éventuelle mise en service commercial n’interviendrait qu’à très long terme.
Il est prévu que le prototype international ITER, construit en France dans les Bouches du Rhône soit être mis en service en 2033.

Les ressources en hydrogène sont illimitées à l’échelle humaine et de la planète.

■ ÉVOLUTION HISTORIQUE

La France a massivement investi dans le nucléaire civil dans les années 70 et 80 suite aux chocs pétroliers des années 70. Elle est le seul pays au monde à avoir investi proportionnellement autant dans ce mode de production d’électricité.
20 ans après le lancement du plan Messmer, 40 réacteurs nucléaires (de modèle américain) étaient en fonctionnement. Cela fut une grande réussite industrielle.
Lors de ces dernières années, les réacteurs actuels ont subi un programme de rénovation dit « grand carénage » afin de prolonger leur durée d’exploitation au-delà des 40 ans prévus.

La France a décidé de renouveler partiellement le parc nucléaire actuel avec le programme EPR, dont les premiers de série ont connu de grandes difficultés notamment à cause de la perte de savoir-faire. Cela est dû à une longue période sans construction de réacteur, et à un modèle d’origine trop compliqué à construire. L’EPR2 se veut plus simple à construire.

■ AVANTAGES

Parmi les avantages du nucléaire
– il s’agit d’une énergie bas carbone
– il peut produire en permanence (contrairement aux énergies variables éoliennes et photovoltaïques)
– il est pilotable pour répondre aux fluctuations de la demande, sans être toutefois aussi flexible que les centrales thermiques à gaz.
– il limite également le nombre d’éoliennes et leur pollution sonore et visuelle.
– Il est peu consommateur de ressources car l’énergie nucléaire est extrêmement concentrée.
A contrario, les énergies variables éoliennes et photovoltaïques, qui sont de faible densité, nécessitent de grands dispositifs de collecte de ces énergies. Ainsi, il faut une grande quantité d’acier, de verre et autres matériaux pour construire une éolienne ou un parc photovoltaïque.

■ INCONVÉNIENTS

Le risque d’accident constitue un inconvénient important.
Deux accidents majeurs se sont produits au cours de l’Histoire. Celui de Tchernobyl est dû à un modèle de réacteur (le RBMK) qui n’est plus construit depuis longtemps et à un manquement total aux règles de sécurité. Celui de Fukushima est dû au fait que la centrale était construite, de manière aberrante, seulement 6 mètres au-dessus du niveau de la mer dans une zone fréquemment affectée par des tsunamis. Par « chance » au moment du sinistre, le vent soufflait vers l’océan et non pas vers les terres, sans quoi les dommages auraient été beaucoup plus importants.

Toutefois, cet inconvénient conséquent doit être apprécié par rapport à ceux des autres moyens de production d’électricité.
Aussi, les barrages constituent également un risque important. La rupture du barrage de Malpasset, dans le Var, en 1959 le rappelle. Pour autant, l’hydraulique de barrage est indispensable à la production d’électricité de pointe, et désormais aux compensations des fluctuations des énergies variables éoliennes et photovoltaïques.
De plus, l’association, dans l’inconscient collectif entre une centrale nucléaire et la bombe atomique, aboutissant à la l’apocalypse nucléaire, a généré une peur exagérée de l’accident nucléaire.
Il convient également de rappeler que si les centrales thermiques à combustible fossile ne possèdent pas ce risque, elles contribuent, de manière majeure au réchauffement climatique. Les centrales à charbon créent, de plus, une forte pollution par les particules émises.

Les déchets ultimes à stocker représentent un volume gérable.
Leur incinération dans des réacteurs à neutrons rapides permettrait d’en diviser encore par 10 la quantité.

Actuellement, le principal inconvénient est celui du coût.
En effet, le coût des premiers EPR a été très élevé et celui envisagé pour les EPR2 serait également élevé.
Le nucléaire a été une énergie compétitive, dans le cadre du plan Messmer, parce qu’un grand nombre de réacteurs ont été construits sur le même modèle, et que celui-ci fonctionnait correctement.

Par ailleurs, si le coût de l’uranium 235 est aujourd’hui faible, celui-ci ne peut qu’augmenter à l’avenir étant donné la raréfaction du minerai. Cela dépendra largement du nombre de réacteurs que la Chine mettra en service dans les décennies à venir.
Les réserves sont limitées à environ un siècle au rythme de consommation actuel, permettant de produire 10% de la production actuelle d’électricité au niveau mondial.

3. Les ÉNERGIES VARIABLES

L’HYDRAULIQUE AU FIL DE L’EAU

Il s’agit des installations hydroélectriques situées le long des cours d’eau.
La hauteur de chute est faible, mais le volume d’eau utilisé est important.
A la différence de l’hydraulique de barrage qui est pilotable, la production de l’hydraulique au fil de l’eau dépend du débit des cours d’eau.
Elle est toutefois peu variable. Elle pourrait être considérée comme constante avec une variabilité saisonnière.
En effet, la production est relativement forte au printemps, par le fait de la fonte des neiges et d’une pluviométrie importante.
Elle est relativement faible durant les mois d’août et septembre étant donné la faible pluviométrie à cette période et une fonte des neiges terminée.

Le PHOTOVOLTAÏQUE

Il s’agit de la source d’énergie qui possède actuellement le plus fort taux de croissance et le plus fort potentiel, au niveau mondial.

■ Les TYPES d’INSTALLATIONS

Le photovoltaïque sur les toitures des maisons individuelles a coûté très cher par rapport aux installations de moyenne et de grande taille. En effet, ces dernières permettent d’effectuer des économies d’échelle importantes au niveau du matériel électrique (onduleur etc) ainsi que lors du montage de ces installations.
Elles nécessitent néanmoins des coûts de structure pour supporter les panneaux et des coûts de raccordement au réseau qui peuvent être conséquents.
L’Etat devrait faire toute la lumière sur les coûts réels pour la société de chaque type d’installation photovoltaïque.
Il est préférable, à ce jour, d’équiper d’installations photovoltaïques les grands parkings, les toitures des grands locaux professionnels tels que les hangars agricoles. Les centrales photovoltaïques au sol peuvent également être développées dans les zones de friche.

■ L’AGRIVOLTAÏSME

Les fermes photovoltaïques visent un double objectif: la production d’électricité et la préservation de l’humidité des sols en période estivale, par l’ombre générée. Cela semble particulièrement nécessaire dans les décennies à venir étant donné le réchauffement climatique.

Il existe différents types de solutions agrivoltaïques.
Les centrales fixes au sol permettent peu de possibilités d’utilisation des sols en-dehors du pacage des brebis.
Les centrales dynamiques avec des panneaux ajustables situés en hauteur à 5 mètres du sol permettent une meilleure gestion de l’ombre générée et davantage de possibilités de culture. Celles-ci sont en phase d’études avancées.

Toutefois, l’agroforesterie, qui consiste à planter des haies autour des prés et des arbres au milieu des prés, est une autre solution pour préserver l’humidité des sols. Cela est davantage favorable à la biodiversité que l’agrivoltaïsme, notamment en ce qui concerne les oiseaux et les animaux sauvages.
Les fermes photovoltaïques possèdent un certain impact sur la biodiversité, même si cela reste limité. Des insectes grillent sur les panneaux brûlants, des oiseaux sont éblouis par les reflets du soleil sur les panneaux, et les parcs photovoltaïques étant grillagés, ils ne permettent pas le passage des animaux (sauf des plus petits).
L’agroforesterie permet une agriculture de proximité plus variée, alors que les possibilités d’utilisation des sols sous les panneaux photovoltaïques fixes sont plus limitées.
Sur les terrains en pente, les haies limitent également l’érosion des sols, qui sera de plus en plus forte étant donné le réchauffement climatique. Les canicules enlèvent de l’humidité au sol et le transforme en partie en poussière emportée par le vent, et les fortes pluies vont ravinent particulièrement ces sols très secs.

L’agroforesterie semble donc à privilégier par rapport à l’agrivoltaïsme, dont le développement effréné actuel pose question.
Derrière cela se trouve également la question de la part de nucléaire dans le mix électrique car plus celle-ci sera élevée, moins il sera nécessaire de réaliser des centrales photovoltaïques sur des sols agricoles.

En outre, l’agrivoltaïsme peut constituer une certaine « industrialisation des paysages » par rapport aux paysages champêtres, causant une pollution visuelle dommageable, notamment dans les zones touristiques.

L’ÉOLIEN

L’épineuse question de l’éolien ne se pose pas dans le département des Hautes-Pyrénées, qui est peu venté.

La pollution visuelle et sonore engendrée est indéniable.

Néanmoins, malgré ces inconvénients (cf ci-dessous) une certaine part d’éolien dans le mix électrique français semble souhaitable, étant donné le retard pris dans le programme de nouveaux réacteurs nucléaires et le fait que l’uranium 235 actuellement consommé dans les réacteurs est en quantité limité sur Terre.
L’éolien en mer produit de l’électricité de manière plus régulière que l’éolien terrestre et génère moins de pollution visuelle et sonore. Il est toutefois plus coûteux étant donné les moyens nécessaires à la construction des fondations en milieu maritime.

Le parc éolien national pourrait servir en grande partie à la fabrication d’hydrogène pour l’agriculture et l’industrie.

Remarque: ce n’est pas parce que des éoliennes tournent qu’elles produisent une importante quantité d’électricité.
Une éolienne récolte l’énergie cinétique du vent par ses pales qu’elle transforme en énergie mécanique au niveau du rotor, puis en énergie électrique par un alternateur. Or cette énergie est proportionnelle au cube de la vitesse du vent.
En effet, la formule de l’énergie cinétique d’un objet en mouvement est 1/2 * masse * vitesse au carré (1/2 m V²)
Dans le cas de l’énergie éolienne, il s’agit de la masse d’air qui arrive chaque seconde dans la surface balayée par les pales. Or, cette masse est égale à la masse volumique de l’air (masse d’un mètre cube d’air) multipliée par la vitesse du vent.
La formule de l’énergie éolienne est donc 1/2 * masse volumique de l’air * vitesse au cube du vent.
Ainsi lorsque la vitesse du vent est multipliée par 2, l’énergie cinétique est multipliée par 8 (= 2 x 2 x 2).
Lorsque la vitesse du vent est multipliée par 3, la puissance délivrée par une éolienne est multipliée par 27 (= 3 x 3 x 3). Entre un vent de 20 km/h et un vent de 60 km/h, la puissance délivrée est donc multipliée par 27, ou divisée par 27 entre un vent de 60 km/h et un vent de 20 km/h.

Une éolienne est construite de telle manière à commencer à tourner à environ 20 km/h, et est bridée à une puissance nominale d’environ 50 km/h.
Entre 50 km/h et 90 km/h, elle délivre la même puissance qu’à 50 km/h.
Au-delà de 90 km/h, elle est arrêtée pour des raisons de sécurité et ne produit donc aucune énergie.

AVANTAGES

Le coût de ces énergies variables a diminué à mesure qu’un gigantesque marché mondial s’est développé.
Ces énergies sont donc aujourd’hui financièrement compétitives, à condition que les compensations de variabilité soient effectuées principalement par des centrales thermiques à combustibles fossiles. La crise du gaz de 2022, issue de l’explosion des gazoducs Nordstream 1 et 2 qui approvisionnaient l’Europe en gaz russe, avait fait exploser temporairement leur prix, qui est ensuite redescendu aux niveaux d’avant crise.

INCONVÉNIENTS

■ La VARIABILITÉ

La production de ces énergies variables (somme de production du photovoltaïque et de l’éolien) est déconnectée de la demande, en-dehors du fait qu’une part de photovoltaïque s’inscrit dans le surplus de consommation diurne, par rapport à la consommation nocturne.

Le photovoltaïque produit de manière intermittente et variable. A l’échelle de la France, la production varie de 1 à 2 en période estivale, selon la couverture nuageuse, ce qui implique des moyens de régulation conséquents.
Sa production est également limitée en automne et hiver. A l’échelle de l’année, la production est beaucoup plus régulière dans le Sud que dans le Nord de l’Europe. Le rapport de production entre les mois de juin et de décembre 2023 est de 1 à 2,2 en Espagne contre 1 à 10,6 en Allemagne.

En France, la production éolienne est extrêmement variable d’une journée, à l’autre malgré le foisonnement national, qui fait que les variations de production au niveau national sont moindres qu’au niveau local, à l’échelle d’un parc ou d’une région.
La production est globalement forte lors des périodes dépressionnaires et globalement faible lors des périodes anticycloniques.
De plus, la production de ces énergies variables est faible lors les périodes anticycloniques hivernales, alors que la demande est alors très élevée, du fait de la part importante de chauffage électrique en France.

■ Des COMPENSATIONS POLLUANTES

Les énergies variables photovoltaïques et éoliennes sont donc nécessairement couplées à des moyens de production pilotables. L’hydraulique de barrage étant limité, il s’agit principalement de centrales thermiques à gaz et à charbon, fortement émettrices de CO2.
Celles-ci doivent être prêtes à augmenter leur production lorsque la production des variables devient faible et que les régulations par les moyens de stockage journalier et les interconnexions sont insuffisantes.
La plupart de ces centrales fonctionnent en permanence a minima car cela est moins coûteux que de les arrêter et de les faire redémarrer souvent.
Cet aspect fondamental de la question des énergies variables est toujours éludé par leurs lobbyistes.
Le nucléaire diminue également sa production en période de forte production éolienne mais cela affecte sa compétitivité en générant des surcoûts et il est probable que cela génère une usure prématurée des réacteurs.

DÉFIS

Le photovoltaïque et l’éolien doivent utiliser moins de cuivre et de métaux rares et être conçus de telle manière à ce que ces dispositifs soient presque entièrement recyclables.
Des progrès importants sont également attendus au niveau des batteries servant au stockage journalier, dont le développement est plus récent que celui du photovoltaïque ou de l’éolien.

4. GESTION de la VARIABILITÉ

1. MOYENS de COMPENSATION

Les centrales thermiques à combustibles fossiles (gaz fossile, charbon et fioul), l’hydraulique de barrage à accumulation annuelle, et les STEP (cf ci-dessous) sont les moyens de compensation les plus utilisés.

■ Les CENTRALES THERMIQUES ÉLECTRIQUES à BIOMASSE

Celles-ci sont un autre moyen de compensation.
Néanmoins, l’impact carbone est conséquent étant donné les émissions émises lors de le la coupe du bois, et de transport. Cet impact est de l’ordre de la moitié de celui des centrales à gaz, soit environ 200 g de CO2 par kWh produit.

Or la biomasse est une ressource limitée et précieuse étant donnée toutes les utilisations qui en sont faites: chauffage, alimentation, espaces préservés pour la biodiversité.
La puissance de centrales de biomasse installées doit donc être limitée et ces centrales à biomasse ne devraient fonctionner qu’en suivi de charge. Leur production doit être forte lors des périodes durant lesquelles les productions variables photovoltaïques et éoliennes sont faibles (comme cela est le cas au Royaume-Uni et au Danemark). Cette production ne doit pas être constante comme cela est le cas ailleurs, notamment en France et en Allemagne.
Le Royaume-Uni importe pour cela de grandes quantités de bois en provenance d’Amérique du Nord et le Danemark importe du bois du Nord Est de l’Europe. Cela a donc un impact sur la biodiversité en dehors de ces pays, là où le bois est prélevé.

2. MOYENS d’ADAPTATION

■ La FLEXIBILITÉ des USAGES

Certains usages sont flexibles. Il est notamment possible de profiter des périodes de production élevée des énergies variables pour faire fonctionner les appareils électroménagers, chauffer le cumulus d’eau chaude, recharger la batterie d’une voiture électrique. Etant donné le fort développement de ces énergies variables, en particulier l’énergie photovoltaïque, des tarifs variables de l’énergie seront inévitablement mis en place.

■ Les EFFACEMENTS

Une partie du parc éolien est simplement mise à l’arrêt en période de surproduction par rapport à la demande.
On peut imaginer que mettre à l’arrêt une éolienne permet de prolonger sa durée d’exploitation car certains matériaux ne s’usent que lorsque l’éolienne est en fonctionnement. Toutefois, des études précises devraient être menées sur ce sujet.
Les installations photovoltaïques sont également déconnectées du réseau en cas de surproduction.

3. Les DISPOSITIFS de STOCKAGE

Stockage à court terme

■ Les BATTERIES au LITHIUM

Il s’agit ici des batteries de grande capacité affectées à l’équilibre du réseau, généralement associées à des parcs photovoltaïques de grande capacité.
Elles constituent un nouveau moyen de stockage.
Leur rendement est de l’ordre de 90%, la durée de stockage actuellement utilisée est de 1 à 4 heures.
Elles servent principalement à atténuer, chaque jour, la montée et la descente de puissance des fermes photovoltaïques sur le réseau.
Les batteries domestiques associées aux panneaux photovoltaïques domestiques et les batteries pour voitures constituent également un moyen de stockage de l’énergie et peuvent injecter de l’électricité sur le réseau.

■ Les STEP

(Station de Transfert d’Energie par Pompage), dites aussi stations de pompage-turbinage.
Exemple de la STEP de La Muela 2 en Espagne (province de Valence) [aperçu en 1 minute]
Exemple de la STEP de Montézic en France (Aveyron) [présentation très approfondie en 26 minutes]

● PRINCIPE

L’eau est pompée du réservoir inférieur jusqu’au réservoir supérieur lors des heures creuses (durant la nuit et durant le week-end). Elle est ensuite lâchée depuis le réservoir supérieur pour être turbinée au niveau du réservoir inférieur lors des heures de pointe.
Il existe environ 10% de pertes énergétiques lors du pompage et autant lors du turbinage.
Le rendement est donc d’environ 80%.
La durée de stockage aujourd’hui utilisée est comprise entre 8 et 30 heures, selon les installations.

● ÉVOLUTION du RÔLE des STEP

Un parc de 6 STEP a été construit en France dans les années 70/80.
La puissance totale installée est de 4 GW en pompage et de 5 GW en turbinage.
Ce parc était un complément nécessaire au parc nucléaire de première génération qui ne pouvait pas effectuer de suivi de charge, afin de mieux adapter à la demande la production électrique à base de nucléaire.

Aujourd’hui, ce moyen de stockage est largement mis à contribution pour compenser les fluctuations des énergies variables éoliennes et photovoltaïques.
Les STEP sont le complément idéal du photovoltaïque afin de lisser cette production électrique sur l’ensemble de la journée.
Néanmoins, les moyens français (4 GW en pompage) sont aujourd’hui largement dépassés par rapport aux capacités éoliennes (25 GW) et photovoltaïques (21 GWc) installées fin 2024.

On peut considérer, dans les scénarios de RTE, une incohérence entre les immenses capacités photovoltaïques prévues et les faibles moyens de stockage journaliers prévus.

● Le CHOIX ACTUEL entre GIGA BATTERIES et STEP

Même si le coût du stockage de l’électricité par des batteries a fortement diminué lors de ces dernières années, le coût du stockage par pompage-turbinage reste moindre.
Si les batteries deviennent un moyen de stockage moins cher et permettant les mêmes capacités que les STEP, alors le développement des STEP pourrait être suspendu. Cependant, cela est encore loin d’être le cas.

● Un BLOCAGE INACCEPTABLE au niveau EUROPÉEN

Or ce moyen de stockage de l’énergie n’est plus développé en France, alors que certains pays comme la Suisse, l’Australie et surtout la Chine continuent à investir massivement dans ce domaine. EDF explique que la Commission Européenne souhaite mettre en concurrence les concessions de gestion des barrages, et que dans cette perspective, si EDF faisait des investissements dans ce domaine, cela pourrait bénéficier à d’autres entreprises.
Les gouvernements français ont indirectement laissé bloquer par la Commission Européenne le développement de nouvelles STEP, pourtant indispensables à l’intégration des énergies variables et à la gestion des pointes de demande. Il peut leur être reproché de ne s’être pas tout simplement assis sur les recommandations de la Commission Européenne comme ont su le faire l’Espagne et le Portugal à propos des prix de l’électricité en 2022.

● OPPORTUNITÉS dans les HAUTES-PYRÉNÉES

Le département des Hautes-Pyrénées possède la géographie nécessaire et de grands équipements hydroélectriques sont déjà en place.
Une STEP utilisant les lacs de Cap de Long et les lacs reliés d’Orédon et de l’Oule serait techniquement envisageable avec une hauteur de chute d’environ 350 m. Une autre installation comprenant un barrage près de la centrale de Pragnères disposerait d’une hauteur de chute d’environ 1200 m.
L’énergie délivrée étant proportionnelle à la hauteur de chute (et au débit), cela permettrait d’utiliser un moindre volume d’eau à puissance et capacité électrique égale.

■ Les BALLONS d’EAU CHAUDE

L’énergie peut être stockée sous forme de chaleur dans des ballons d’eau chaude de capacité importante, utilisable durant plusieurs jours.

Stockage à long terme: l’HYDROGÈNE

Plus précisément, il s’agit ici de dihydrogène: une molécule composée de deux atomes d’hydrogène, communément appelée hydrogène, par abus de langage.

● Le FAIBLE RENDEMENT de ce VECTEUR ÉNERGÉTIQUE

Le stockage de l’énergie par hydrogène permet de stocker de grandes quantités d’énergie, mais ce moyen est extrêmement coûteux. En effet, le rendement complet de ce moyen de stockage est au mieux de l’ordre de 30%. Le rendement de l’électrolyse est de l’ordre de 70%, celui de la compression du gaz de 85% et celui de la pile à combustible de 50%, ce qui donne un rendement complet de 0,7 x 0,85 x 0,5 = 30%.
Il est également probable que des fuites se produisent lors des différentes étapes de ce procédé de stockage étant donné que ce gaz est extrêmement fin.
De plus, ces installations d’électrolyse, de stockage, de distribution et les piles à combustibles ou centrales thermiques devant réinjecter de l’électricité sur le réseau, sont très coûteuses.

● Des CHOIX POLITIQUES TRÈS DOUTEUX

Les subventions très importantes, pour le développement massif de l’hydrogène, ont été décidées au niveau européen sous l’influence de lobbies. Elles sont décriées par la totalité des experts indépendants du secteur de l’énergie.
Le faible rendement de la chaîne complète du vecteur hydrogène rend cette solution extrêmement coûteuse.
Même si le coût des électrolyseurs baissait significativement par le développement d’un marché important à l’instar de l’éolien et du photovoltaïque, le vecteur hydrogène resterait beaucoup trop coûteux.
L’argent public serait donc beaucoup mieux employé dans les autres moyens de remplacer les énergies fossiles (énergies renouvelables, batteries, STEP, nucléaire, équipements d’économies d’énergie).

● MOYEN de TRANSPORT à BATTERIE vs à HYDROGÈNE

Remarque préalable: une voiture à hydrogène possède un moteur électrique et non pas un moteur à combustion.
Une voiture électrique à batterie aurait un rendement à la source, jusqu’au moteur électrique, de 80% minimum, en considérant qu’il y aurait 10% de pertes énergétiques lors de la charge et de la décharge de la batterie.
La voiture électrique à hydrogène possède un rendement à la source, jusqu’au moteur électrique d’environ 25%, ce qui constitue environ le tiers du rendement de la voiture à batterie.
Il convient de préciser que la voiture à hydrogène pèse autant que la voiture électrique. En effet, la bombonne à hydrogène + la pile à combustible + la batterie tampon pèse autant que la batterie d’un véhicule électrique classique.

Il en va de même pour les trains sur des courtes distances.

Pourtant, la région Occitanie a décidé d’utiliser des trains à hydrogène sur la la ligne ferroviaire rénovée Montréjeau-Luchon, sur cette courte distance de 36 km. Cela est particulièrement aberrant.

Sur de longues distances, la masse de batteries à embarquer rendrait le train beaucoup trop lourd. Dans ce cas, pour utiliser des lignes non électrifiées, le train à hydrogène semble la seule option possible.

● L’HYDROGÈNE pour l’AVIATION

L’avion à hydrogène (H₂)

Celui-ci n’en est qu’au stade expérimental.
Pourtant, le secteur de l’aviation sait depuis très longtemps qu’il doit trouver des alternatives au kérosène à base de pétrole. Mais ce secteur très polluant n’a pas été véritablement incité à devenir moins polluant, contrairement au secteur automobile.
Le kérosène est très peu taxé, contrairement au carburant pour voitures. cf le secteur aérien.

Le biokérosène issu du colza

Les voitures à moteur thermique peuvent utiliser de l’éthanol produit à partir de colza (ou autre céréale).
Celui-ci pourrait être intégré dans le kérosène des avions, car les voitures à moteur thermique seront remplacées par des voitures électriques.

Néanmoins, cet éthanol peut également servir à un usage plus essentiel: le chauffage.
Par ailleurs, les terres actuellement utilisées pour la culture de colza pourraient également être affectées à des fins plus essentielles: l’alimentation. Cela est d’autant plus probable que le rendement des terres agricoles va diminuer avec le réchauffement climatique, ce qui nécessitera à production égale une plus grande surface de terre qu’aujourd’hui.

Le kérosène de synthèse

Description sur l’exemple du projet E-ECHO à Lacq.

Conclusion

L’avenir du secteur aérien n’est pas à son développement mais à sa réduction raisonnable au profit du train, moins consommateur d’énergie.
Le pétrole restant sur Terre et exploitable à un coût plus élevé qu’aujourd’hui sera utilisé notamment pour l’aviation.

● AUTRES USAGES PLUS PERTINENTS de l’HYDROGÈNE

L’hydrogène peut être utilisée en remplacement du méthane pour fabriquer de l’acier pour l’industrie et de l’engrais à base d’ammoniac pour l’agriculture.

5. ÉNERGIES RENOUVELABLES THERMIQUES

■ Les POMPES à CHALEUR

sont utilisées depuis longtemps. Elles permettent un gain important par rapport au chauffage électrique classique: de 1 à 2-3 pour les échangeurs air-air et de 1 à 5-6 pour les échangeurs sol-air ou eau souterraine – air.
Les échangeurs air-air, qui puisent les calories dans l’air extérieur sont d’autant plus efficaces que l’air extérieur est doux.

■ Le SOLAIRE THERMIQUE avec STOCKAGE ANNUEL

est une solution utilisée en Europe du Nord.

Le solaire thermique est largement utilisé pour la production d’eau chaude. Cela est moins utilisé pour chauffer les habitations. En France, les pompes à chaleur se sont imposées sur le marché des énergies renouvelables thermiques à partir des années 2000. Le solaire thermique reste très utilisé dans les pays méditerranéens.

Le solaire thermique avec stockage annuel est une solution intéressante à condition d’utiliser un grand réservoir annuel permettant d’alimenter un écoquartier.
En effet plus la masse (et donc le volume) de stockage est important, moins les pertes thermiques sont importantes.

Cela évite donc le recours à des moyens de pointe polluants (gaz ou bois). Cette solution a été peu développée tant que le coût du gaz (et du bois) était faible, mais les perspectives de hausse du coût de l’énergie devraient conduire à une reconsidération de cette solution. Du moins, des études indépendantes devraient faire à nouveau le point sur le coût de cette solution par rapport aux autres solutions de chauffage.

■ LA BIOMASSE

Le bois est une source d’énergie locale, mais peu écologique.
Il ne s’agit pas d’une source d’énergie bas carbone car une grande quantité d’énergie est consommée lors de la coupe du bois par les engins forestiers, puis lors du transport par camion, d’autant plus que la distance parcourue est importante. Il faut également prendre en compte le fait que ces engins puissants ont généré d’importantes émissions de GES lors de leur fabrication.

De plus, contrairement à ce qui est indiqué par les pouvoirs publics, le bois n’est qu’une énergie partiellement renouvelable car étant donné l’assèchement des sols lié au réchauffement climatique, une moindre quantité de biomasse repoussera là où des arbres auront été prélevés. Dans les Pyrénées centrales, la végétation de l’ancien climat océanique tempéré laisse sa place à une végétation moins dense, de type méditerranéen.
Néanmoins, le bois mort qui se décompose au sol libère également le CO2 qui avait été stocké dans le bois vivant.

L’utilisation de la biomasse forestière pour le bois d’œuvre et des matériaux d’isolation, est donc le seul moyen de ne pas libérer de CO2.
Il faudrait également remettre dans la forêt les cendres du bois brûlé pour ne pas appauvrir le sol.

Le chauffage au bois ne devrait donc être utilisé qu’en période de pointe, lorsque la production éolienne est insuffisante pour alimenter les pompes à chaleur, ou lorsque le rendement des pompes à chaleur est faible en période de froid intense. Cela nécessite la mise en place de tarifs variables de l’électricité en fonction des conditions météorologiques (influant sur la production et la demande d’électricité).
Il en va de même du bioéthanol.
Aussi, la politique concernant le bois énergie doit être complètement revue.
Le bois énergie devrait donc être toujours couplé à des pompes à chaleur ou à du solaire thermique, contrairement à ce qui est pratiqué.

6. Le CHOIX entre le NUCLÉAIRE et RENOUVELABLES

■ CORRECTION dans la PRÉSENTATION de la QUESTION

Le nucléaire, qui est un système de production presque complet, ne peut pas être remplacé seulement par les énergies variables éoliennes et photovoltaïques. (Prétendre le contraire relève de la démagogie).
Il peut l’être par le système complet suivant:
– éolien + photovoltaïque + extensions de réseau afférentes
– back-up par (un peu) d’hydraulique de barrage à accumulation annuelle, (un peu) de centrales thermiques à biomasse (avec impact carbone conséquent), beaucoup de centrales thermiques à gaz fossile (avec impact carbone fort) ou/et au charbon (avec impact carbone très fort).
L’utilisation de ce back-up peut être réduite par:
– des interconnexions pour utiliser le « foisonnement » des énergies variables.
– du stockage journalier par STEP et batteries

■ DÉCISIONS en FRANCE et dans le MONDE

Aujourd’hui en France, le nucléaire est un sujet qui divise toujours autant la classe politique.
La gauche alternative, à l’exception du Parti Communiste, veut en sortir.
La droite nationale veut le développer au maximum et demande un moratoire sur le développement de l’éolien.
Un large centre néolibéral a choisi de renouveler partiellement le parc nucléaire actuel avec le programme EPR.
L’opinion française (et mondiale) qui était largement contre le nucléaire suite à l’accident de Fukushima est redevenue largement favorable à cette énergie.

Aujourd’hui dans le monde, parmi les nouveaux moyens de production d’électricité mis en place, le nucléaire est devenu très marginal par rapport aux systèmes à base d’énergies variables avec back-up à énergie fossile.

Historiquement, cela procède du choix politique de certains pays européens de développer fortement les énergies renouvelables variables: d’abord le Danemark au niveau de l’éolien, puis l’Allemagne au niveau de l’éolien et du photovoltaïque.
Ce choix s’est ensuite étendu à l’ensemble de l’Union Européenne et au monde. Un immense marché mondial s’est développé et les très puissantes entreprises multinationales pétrogazières y ont pris des intérêts important et constituent des lobbies extrêmement puissants.

Pourtant, les problèmes causés par le nucléaire civil au cours de son histoire ont été limités.
Les deux accidents majeurs, dus à des erreurs grossières, ont eu des conséquences relativement limitées à l’échelle mondiale.

■ La COMPLÉMENTARITÉ DISCUTABLE entre NUCLÉAIRE et ÉNERGIES VARIABLES

Le fonctionnement des réacteurs nucléaires en suivi de charge partiel par rapport à la production des énergies variables présente l’avantage d’économiser un peu d’uranium, et l’inconvénient d’user davantage certains éléments des réacteurs, ce qui nécessite davantage de travaux de maintenance.
Il est également possible que cela affecte la cuve, et donc raccourcisse la durée d’exploitation des réacteurs.

Aujourd’hui, cette complémentarité semble se faire au détriment du nucléaire.
Cependant, si le coût de l’uranium venait à augmenter fortement, ce qui finira par arriver étant donné la finitude de la ressource, il est possible que le fonctionnement des réacteurs en suivi de charge devienne économiquement pertinent.